DE102011009260B4 - Determination of the rotation parameters of the eyes - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen von Bewegungsparametern für zumindest ein Auge eines Benutzers mit folgenden Schritten:- Erzeugen von ersten Bilddaten zumindest eines Teilbereichs des Auges bei einer ersten Blickrichtung des Auges;- Erzeugen von zweiten Bilddaten zumindest eines Teilbereichs des Auges bei einer von der ersten Blickrichtung verschiedenen zweiten Blickrichtung des Auges, wobei die ersten und zweiten Bilddaten mit einer Bildaufnahmeeinrichtung erzeugt werden, welche zum Erzeugen der ersten und zweiten Bilddaten derart relativ zum Kopf des Benutzers fixiert wird, dass sie zum Erzeugen der ersten und zweiten Bilddaten dieselbe Position relativ zum Kopf des Benutzers einnimmt,- Ermitteln einer Positionsänderung zumindest eines ausgezeichneten Punktes des Auges; und- Bestimmen eines Bewegungsradius des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges aus der ermittelten Positionsänderung und in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Blickrichtung.Method for determining movement parameters for at least one eye of a user with the following steps:- generating first image data of at least a partial area of the eye in a first viewing direction of the eye;- generating second image data of at least a partial area of the eye in a second viewing direction different from the first Line of sight of the eye, the first and second image data being generated with an image recording device, which is fixed relative to the user's head to generate the first and second image data in such a way that it assumes the same position relative to the user's head to generate the first and second image data ,- determining a change in position of at least one marked point of the eye; and- determining a movement radius of the at least one marked point of the eye from the determined change in position and as a function of the first and second viewing direction.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt zur individuellen Bestimmung von Bewegungsparametem für zumindest ein Auge eines Brillenträgers. Insbesondere betrifft die Erfindung eine individuelle Bestimmung von Bewegungsparametern, welche nur eine einzige Bildaufnahmeeinrichtung erfordert und damit in vielen, insbesondere kompakten Aberrometern oder anderen optischen Geräten integrierbar ist.The present invention relates to a method, a device and a computer program product for the individual determination of movement parameters for at least one eye of a spectacle wearer. In particular, the invention relates to an individual determination of movement parameters, which requires only a single image recording device and can therefore be integrated in many, in particular compact, aberrometers or other optical devices.
Zur Anpassung von Brillen werden derzeit - neben anderen Parametern - hauptsächlich die Pupillendistanzen beim Blick in die Ferne (Fern-PD) gemessen. Eine Messung der tatsächlichen Pupillendistanzen für das Betrachten von Objekten im Nah- oder Zwischenbereich findet nur in Ausnahmefällen statt und ist oft wenig präzise und fehleranfällig. Zur noch genaueren Anpassung der Brillengläser an den Träger wird sowohl bei auf dem Markt erhältlichen Gläsern als auch bei Gläsern, die derzeit von Rodenstock entwickelt werden, die Position des Augendrehpunktes berücksichtigt.In addition to other parameters, the pupil distance when looking into the distance (distance PD) is currently measured to adjust glasses. A measurement of the actual pupillary distances for viewing objects in the near or intermediate range only takes place in exceptional cases and is often not very precise and error-prone. For an even more precise adjustment of the spectacle lenses to the wearer, the position of the center of rotation of the eye is taken into account, both for lenses available on the market and for lenses currently being developed by Rodenstock.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbesserung der individuellen Anpassung von Brillengläsern insbesondere beim Blicken für verschiedene Objektentfernungen und unterschiedliche Augenstellungen zu erreichen. Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung diese Verbesserung möglichst einfach und kompakt implementierbar zu gestalten. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, eine Vorrichtung mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen und ein Computerprogrammprodukt mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object of the present invention is to achieve an improvement in the individual adjustment of spectacle lenses, in particular when looking for different object distances and different eye positions. In particular, it is an aim of the invention to make this improvement as simple and compact as possible to implement. This object is achieved by a method having the features specified in
Somit bietet die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von Bewegungsparametern für zumindest ein Auge eines Benutzers mit folgenden Schritten:
- - Erzeugen von ersten Bilddaten zumindest eines Teilbereichs des Auges, welcher insbesondere zumindest einen ausgezeichneten Punkt des Auges umfasst, bei einer ersten Blickrichtung des Auges;
- - Erzeugen von zweiten Bilddaten zumindest eines Teilbereichs des Auges, welcher insbesondere den zumindest einen ausgezeichneten Punkt des Auges umfasst, bei einer von der ersten Blickrichtung verschiedenen zweiten Blickrichtung des Auges, wobei die ersten und zweiten Bilddaten mit einer Bildaufnahmeeinrichtung (z.B. einer Kamera) erzeugt werden, welche zum Erzeugen der ersten und zweiten Bilddaten derart relativ zum Kopf des Benutzers visiert wird, dass zum Erzeugen der ersten und zweiten Bilddaten dieselbe Position (also dieselbe Aufnahmerichtung und denselben Abstand) relativ zum Kopf des Benutzers einnimmt. Die ersten und zweiten Bilddaten werden zu verschiedenen Zeitpunkten bzw. in verschiedenen Zeitintervallen, also nacheinander erzeugt.
- - generation of first image data of at least a partial region of the eye, which in particular comprises at least one marked point of the eye, in a first viewing direction of the eye;
- - Generation of second image data of at least a partial area of the eye, which in particular includes the at least one marked point of the eye, in a second viewing direction of the eye that differs from the first viewing direction, the first and second image data being generated with an image recording device (e.g. a camera). , which is sighted relative to the user's head to generate the first and second image data in such a way that the same position (ie the same recording direction and the same distance) relative to the user's head occupies the same position for generating the first and second image data. The first and second image data are generated at different points in time or at different time intervals, ie one after the other.
Außerdem umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Ermitteln einer Positionsänderung des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges; und ein Bestimmen eines Bewegungsradius des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges aus der ermittelten Positionsänderung und in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Blickrichtung, insbesondere in Abhängigkeit von der einer ersten und einer zweiten Winkelauslenkung der ersten bzw. zweiten Blickrichtung relativ zu einer optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung.In addition, the method according to the invention includes determining a change in position of the at least one marked point of the eye; and a determination of a movement radius of the at least one marked point of the eye from the determined change in position and as a function of the first and second viewing direction, in particular as a function of a first and a second angular deflection of the first and second viewing direction relative to an optical axis of the image recording device .
Es reicht damit aus, eine einzige Bildaufnahmeeinrichtung (z.B. Kamera) bereitzustellen, mit welcher nacheinander zumindest zwei Bilddatensätze erzeugt werden, welche hier auch als erste und zweite Bilddaten bezeichnet werden. Es wird dabei lediglich darauf geachtet, dass der Kopf des Benutzers bei beiden Bildaufnahmen dieselbe Position relativ zur Bildaufnahmeeinrichtung einnimmt. Zusätzlich zu den zumindest zwei Bilddatensätzen könnten auch eine oder eine Vielzahl weiterer Bilddatensätze erzeugt werden. Insbesondere könnte eine ganze Video-Sequenz erzeugt werden. Dabei wird vorzugsweise sichergestellt, dass der Kopf des Benutzers während der Aufnahme auch dieser Bilddatensätze bzw. der Videosequenz relativ zur Bildaufnahmeeinrichtung unverändert bleibt, während eine Änderung der Blickrichtung durchaus erwünscht ist und gegebenenfalls sogar motiviert wird. Wie später noch genauer ausgeführt wird, kann durch Einbeziehung von mehr als zwei Bilddaten zum einen die statistische Messunsicherheit deutlich verbessert werden und zum anderen können dadurch auch Parameter komplexerer Modelle ermittelt werden. Solche komplexeren Modelle umfassen vorzugsweise unterschiedliche Bewegungsradien des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges für unterschiedliche Richtungen der Blickbewegung. So wird vorzugsweise als Bewegungsradius ein erster Bewegungsradius für eine horizontale Blickbewegung bestimmt. Darüber hinaus wird vorzugsweise ein zweiter Bewegungsradius für eine vertikale Blickbewegung bestimmt.It is therefore sufficient to provide a single image recording device (eg camera) with which at least two image data sets are generated one after the other, which are also referred to here as first and second image data. Care is only taken to ensure that the user's head is in the same position for both image recordings occupies relative to the imaging device. In addition to the at least two image data sets, one or a large number of further image data sets could also be generated. In particular, an entire video sequence could be generated. In this case, it is preferably ensured that the user's head remains unchanged relative to the image recording device during the recording of these image data sets or the video sequence, while a change in the viewing direction is definitely desirable and possibly even motivated. As will be explained in more detail later, the statistical measurement uncertainty can be significantly improved by including more than two image data, and parameters of more complex models can also be determined as a result. Such more complex models preferably include different movement radii of the at least one marked point of the eye for different directions of the eye movement. A first radius of movement for a horizontal gaze movement is preferably determined as the radius of movement. In addition, a second radius of movement for a vertical gaze movement is preferably determined.
Die hier vorgestellte Erfindung ermöglicht es, Rotationsparameter eines Auges durch die Bestimmung ausgezeichneter Eigenschaften des Auges (wie Lage und Größe der Pupille oder anderer Objekte des vorderen Auges, sowie Ausrichtung des Auges) zu ermitteln und dabei als einen Rotationsparameter einen Bewegungsradius eines ausgezeichneten Punktes des Auges zu ermitteln.The invention presented here makes it possible to determine rotation parameters of an eye by determining excellent properties of the eye (such as the position and size of the pupil or other objects in the front eye, as well as the orientation of the eye) and, as a rotation parameter, a movement radius of an excellent point of the eye to determine.
Ein entscheidender Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ist die Integrierbarkeit in ein Aberrometer, so dass ein System bereitgestellt werden kann, mit dem sowohl die optischen (aberrometrische Messungen) als auch die mechanischen Eigenschaften eines Auges vermessen werden können. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Vorgehens besteht dabei darin, dass viele Elemente, die in Aberrometern ohnehin Verwendung finden, zur Messung der Rotationsparameter mitbenutzt werden können. Dadurch kann das System kompakt und kostengünstig ausgelegt werden. Ferner kann für entsprechende Subsysteme auf eine ausgereifte Technologie zurückgegriffen werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Messung der Rotationsparameter unabhängig von dem verwendeten Prinzip der Messung der optischen Parameter ist. Das System lässt sich damit mit allen Aberrometern kombinieren - unabhängig davon, ob diese beispielsweise Verfahren nach (Shack-)Hartmann, Moiree, Tschering oder Scheiner einsetzen. Dadurch kann es auch in andere (augenoptische) Geräte wie Autorefraktometer, Kerato- und Topographen integriert werden.A decisive advantage compared to conventional methods is the ability to be integrated into an aberrometer, so that a system can be provided with which both the optical (aberrometric measurements) and the mechanical properties of an eye can be measured. A particular advantage of the procedure according to the invention is that many elements that are used in any case in aberrometers can also be used to measure the rotation parameters. As a result, the system can be designed in a compact and cost-effective manner. Furthermore, mature technology can be used for corresponding subsystems. It is also advantageous that the measurement of the rotation parameters is independent of the principle used for measuring the optical parameters. The system can thus be combined with all aberrometers - regardless of whether they use methods according to (Shack-)Hartmann, Moiree, Tschering or Scheiner. This means that it can also be integrated into other (ophthalmic) devices such as autorefractometers, kerato- and topographers.
Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen der ersten und zweiten Bilddaten mittels einer telezentrischen Bildaufnahmeeinrichtung, d.h. die Bildaufnahmeeinrichtung weist vorzugsweise eine telezentrische Optik auf. Damit sind die in den Bilddaten abgebildeten Abstände erfasster Bildelemente des Auges unabhängig vom Abstand zwischen der Bildaufnahmeeinrichtung und dem Auge, was eine sehr genaue und zuverlässige Ermittelung von Positions- und gegebenenfalls Winkeländerungen sicherstellt.The first and second image data are preferably generated by means of a telecentric image recording device, i.e. the image recording device preferably has telecentric optics. The distances between recorded image elements of the eye that are depicted in the image data are therefore independent of the distance between the image recording device and the eye, which ensures a very precise and reliable determination of position and possibly angle changes.
Vorzugsweise umfasst der zumindest eine ausgezeichnete Punkt den Mittelpunkt der Pupille und/oder den Mittelpunkt der Iris und/oder den Hornhautscheitel des Auges. Alternativ oder zusätzlich umfasst der zumindest eine ausgezeichnete Punkt einen optisch signifikanten Punkt der Iris und/oder der Lederhaut. Diese können beispielsweise durch die bekannten Verfahren des Pattern-Matchings gefunden werden. Zur Ermittlung der erwähnten Mittelpunkte können im Rahmen der Bildverarbeitung die entsprechenden Ränder (z.B. über Kantendetektion) gefunden und aus diesen Rändern geometrisch die Mittelpunkte abgeleitet werden. Alternativ ist eine Schwerpunktsbildung der Pupillen bzw. Irisflächen einsetzbar.The at least one marked point preferably comprises the center of the pupil and/or the center of the iris and/or the corneal vertex of the eye. Alternatively or additionally, the at least one marked point comprises an optically significant point of the iris and/or the sclera. These can be found, for example, using the known methods of pattern matching. To determine the center points mentioned, the corresponding edges (e.g. via edge detection) can be found within the framework of image processing and the center points can be derived geometrically from these edges. Alternatively, a focus formation of the pupils or iris surfaces can be used.
Während die Kenntnis der lateralen Position des Augendrehpunktes (bzw. des Hornhautscheitels bzw. der Pupillenmitte) im Wesentlichen der Zentrierung (laterale Position des Brillenglases in der angepassten Fassung) dient, kann mit Kenntnis der axialen Positionen von Augendrehpunkt, Hornhautscheitel (bzw. Pupillenmitte) und Brillenglas das Glas in der Gebrauchsstellung weiter optimiert werden. Dabei sind im Wesentlichen die Abstände, also der Radius der Bewegung des Hornhautscheitels (bzw. der Pupillenmitte) und der dem Abstand zwischen Hornhautscheitel (bzw. Pupillenmitte) und Brillenglas relevant.While knowledge of the lateral position of the center of rotation of the eye (or the vertex of the cornea or the center of the pupil) is essentially used for centering (lateral position of the lens in the fitted frame), knowing the axial positions of the center of rotation of the eye, the vertex of the cornea (or the center of the pupil) and Spectacle lens the glass can be further optimized in the position of use. Essentially, the distances, ie the radius of movement of the corneal vertex (or the center of the pupil) and the distance between the corneal vertex (or the center of the pupil) and the spectacle lens are relevant.
Im einzelnen hängen die folgenden Aspekte von den genannten Größen ab:
- 1. Geometrische Lage der Durchblickspunkte Die genaue laterale Position der Durchblickspunkte für verschiedene Blickrichtungen durch ein Brillenglas hängt neben der lateralen Position des Durchblickspunktes in Nullblickrichtung („klassische Zentrierung“) auch von den genannten Parametern ab. Durch deren Kenntnis kann die Position des Durchblickspunktes für jeden gegebenen Vergenzwinkel - und damit für jede gegebene Objektentfernung - sowie für jeden vertikalen Blickwinkel bestimmt werden. Dies erlaubt beispielsweise den genauen Verlauf (horizontal und vertikal) der Hauptblicklinie in Gleitsichtgläsern und die Position des Einsatzes für die Addition individuell zu optimieren
- 2. Durchblicksrichtung Abhängig von den genannten Größen ändert sich weiterhin die Richtung, durch die das einfallende Strahlenbündel eines abzubildenden Objekts auf eine bestimmte Position des Brillenglases auftrifft. Durch die Ermittlung der genauen Einfallsrichtung aus den genannten Größen (und gegebenenfalls der Grundgeometrie des Glases) lassen sich die Abbildungseigenschaften verbessern und dabei insbesondere der Astigmatismus schiefer Bündel minimieren.
- 3. Vergrößerung Da der Abstand zwischen verschiedenen optischen Elementen zueinander einen Einfluss auf die resultierende Vergrößerung hat, kann durch die genaue Kenntnis der genannten Größen die tatsächliche Vergrößerung bei der Optimierung berücksichtigt und das Brillenglas entsprechend optimiert werden. So kann beispielsweise vermieden werden, dass die resultierende Vergrößerung von der Entfernung oder der lateralen Position des abzubildenden Objekts abhängt.
- 1. Geometric position of the visual points The exact lateral position of the visual points for different viewing directions through a lens depends not only on the lateral position of the visual point in the zero visual direction (“classic centering”) but also on the parameters mentioned. By knowing this, the position of the visual point can be determined for any given vergence angle - and thus for any given object distance - as well as for any vertical viewing angle. This allows, for example, the exact course (horizontal and vertical) of the main line of sight in progressive lenses and the position of the insert for the addition to be individually optimized
- 2. Direction of viewing Depending on the variables mentioned, the direction through which the incident beam of rays of an object to be imaged impinges on a specific position of the spectacle lens also changes. Determining the exact direction of incidence from the variables mentioned (and possibly the basic geometry of the glass) can improve the imaging properties and, in particular, minimize the astigmatism of oblique beams.
- 3. Magnification Since the distance between different optical elements has an influence on the resulting magnification, the actual magnification can be taken into account in the optimization process and the spectacle lens can be optimized accordingly if the precise knowledge of the stated values is known. For example, it can be avoided that the resulting magnification depends on the distance or the lateral position of the object to be imaged.
Der genannte Parametersatz (laterale und axiale Position des Augendrehpunktes, Radius der Bewegung des Hornhautscheitels (bzw. der Pupillenmitte) und Abstand des Brillenglases vom Hornhautscheitel (bzw. der Pupillenmitte)) wird vorzugsweise auf folgende Art bestimmt:
- Dabei wird insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren der Radius der Bewegung des Hornhautscheitels (bzw. der Pupillenmitte) bestimmt. Aus Messungen mit einem Videozentriersystem (vorzugsweise mit einem Stereokameraystem vom Typ ImpressionIST) können die axiale und laterale Position des Hornhautscheitels (bzw. der Pupillenmitte) beim Blick in Nullblickrichtung (sowie ggf. weiterer Blickrichtungen) und die Position des Glases bestimmt werden. Daraus lassen sich dann die laterale und axiale Position des Augendrehpunktes sowie der Abstand des Brillenglases vom Homhautscheitel (bzw. der Pupillenmitte) bestimmen.
- In this case, the radius of the movement of the corneal vertex (or the center of the pupil) is determined in particular by a method according to the invention. Measurements with a video centering system (preferably with an ImpressionIST stereo camera system) can be used to determine the axial and lateral position of the corneal vertex (or the center of the pupil) when looking in the zero viewing direction (and possibly other viewing directions) and the position of the lens. From this, the lateral and axial position of the center of rotation of the eye and the distance of the spectacle lens from the corneal vertex (or the center of the pupil) can be determined.
Vorzugsweise liegen die erste und zweite Blickrichtung in einer gemeinsamen Ebene mit einer optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung, wobei besonders bevorzugt die erste oder die zweite Blickrichtung parallel zur optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung liegt.The first and second viewing direction preferably lie in a common plane with an optical axis of the image recording device, with the first or the second viewing direction particularly preferably being parallel to the optical axis of the image recording device.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Vorgeben der ersten und/oder zweiten Blickrichtung mittels eines Fixationstargets, welches ausgelegt ist, ein Lichtfeld zumindest teilweise in Richtung des mittels der Bildaufnahmeeinrichtung zu erfassenden Auges des Benutzers derart auszusenden, dass alle Lichtstrahlen innerhalb des Lichtfelds im Wesentlichen parallel zu einer gemeinsamen Fixationsebene verlaufen, wobei das Lichtfeld während des Erzeugens der ersten Bilddaten mit einer ersten Fixationsebene und während des Erzeugens der zweiten Bilddaten mit einer von der ersten verschiedenen zweiten Fixationsebene ausgesendet wird.The method preferably includes specifying the first and/or second viewing direction by means of a fixation target, which is designed to emit a light field at least partially in the direction of the user's eye to be recorded by means of the image recording device in such a way that all light rays within the light field are essentially parallel to a common plane of fixation, wherein the light field is emitted during the generation of the first image data with a first plane of fixation and during the generation of the second image data with a second plane of fixation different from the first.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren vorzugsweise ein Vorgeben der ersten und/oder zweiten Blickrichtung mittels eines Fixationsobjekts, welches ausgelegt ist, in zumindest einer vorgegebenen Fixierposition ein zur Führung oder Fixierung der Blickrichtung des Benutzers geeignetes optisches Signal auszugeben. Alternatively or additionally, the method preferably includes specifying the first and/or second line of sight by means of a fixation object, which is designed to output an optical signal suitable for guiding or fixing the line of sight of the user in at least one specified fixation position.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Ermitteln einer Winkeländerung zwischen der ersten und zweiten Blickrichtung des Auges, wobei der Bewegungsradius des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges aus der ermittelten Positionsänderung und der ermittelten Winkeländerung bestimmt wird. Dabei umfasst das Ermitteln einer Winkeländerung besonders bevorzugt ein Bestimmen des Winkels zwischen der ersten und zweiten vorgegebenen Blickrichtung und/oder ein Bestimmen eines ersten Winkels (erste Winkelauslenkung) zwischen der ersten Blickrichtung und einer optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung und eines zweiten Winkels (zweite Winkelauslenkung) zwischen der zweiten Blickrichtung der optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung.The method preferably includes determining a change in angle between the first and second viewing directions of the eye, with the radius of movement of the at least one marked point of the eye being determined from the determined change in position and the determined change in angle. The determination of a change in angle particularly preferably includes determining the angle between the first and second specified viewing direction and/or determining a first angle (first angular deflection) between the first viewing direction and an optical axis of the image recording device and a second angle (second angular deflection) between the second viewing direction of the optical axis of the image recording device.
Alternativ oder zusätzlich wird eine Winkeländerung bzw. werden Winkel (Winkelauslenkungen) für insbesondere nicht durch ein Fixationstarget oder ein Fixationsobjekt vorgegebene Blickrichtungen mittels der perspektivischen Projektion von Elementen des Auges (z.B. der Pupille oder der Iris) in den Bilddaten ermittelt. Es ist allerdings nicht unbedingt notwendig, dass die Winkeländerung bzw. die Winkel explizit ermittelt und/oder ausgegeben wird bzw. werden. Vielmehr wird vorzugsweise die perspektivische Projektion als Maß für die Blickwinkel bzw. deren Änderung direkt für die Bestimmung des Bewegungsradius herangezogen, also berücksichtigt.Alternatively or additionally, a change in angle or angles (angular deflections) for viewing directions that are not specified by a fixation target or a fixation object are determined by means of the perspective projection of elements of the eye (e.g. the pupil or the iris) in the image data. However, it is not absolutely necessary for the change in angle or the angles to be explicitly determined and/or output. Rather, the perspective projection is preferably used as a measure for the viewing angle or its change directly for determining the radius of movement, ie it is taken into account.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren:
- - ein Bestimmen eines ersten primären, projizierten (also sichtbaren bzw. abgebildeten) Durchmessers der Pupille und/oder der Iris des Auges in einer Primärrichtung aus den ersten Bilddaten; und
- - ein Bestimmen eines zweiten primären, projizierten (also sichtbaren bzw. abgebildeten) Durchmessers der Pupille und/oder Iris des Auges in der Primärrichtung aus den zweiten Bilddaten.
- - a determination of a first primary, projected (ie visible or imaged) diameter of the pupil and/or the iris of the eye in a primary direction from the first image data; and
- - a determination of a second primary, projected (ie visible or imaged) diameter of the pupil and/or iris of the eye in the primary direction from the second image data.
Dabei wird besonders bevorzugt der Bewegungsradius des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges aus der ermittelten Positionsänderung und zumindest dem Verhältnis des ersten und zweiten primären, projizierten Durchmessers bestimmt.The radius of movement of the at least one marked point of the eye is particularly preferably determined from the determined change in position and at least the ratio of the first and second primary, projected diameter.
Als ausgezeichneter Punkt wird insbesondere in diesem Zusammenhang vorzugweise die Pupillenmitte und/oder die Irismitte genutzt. Diese lassen sich besonders einfach als Mittelpunkt des jeweils bestimmten Pupillendurchmessers (bzw. Irisdurchmessers) ermitteln. Insbesondere liegen die erste und zweite Blickrichtung vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene mit der Primärrichtung. Besonders bevorzugt liegt auch die optische Achse der Bildaufnahmeeinrichtung in derselben Ebene. Bei einer Untersuchung der Bewegungsparameter, insbesondere des bestimmten Bewegungsradius, für horizontale Blickbewegungen des Auges liegt somit die Primärrichtung in der Horizontalen. Damit lassen sich über die perspektivische Verzerrung des horizontalen Durchmessers die Blickrichtungen automatisch ermitteln.In particular in this context, the center of the pupil and/or the center of the iris is preferably used as a distinguished point. These can be determined particularly easily as the center point of the pupil diameter (or iris diameter) determined in each case. In particular, the first and second viewing directions preferably lie in a common plane with the primary direction. The optical axis of the image recording device also particularly preferably lies in the same plane. When examining the movement parameters, in particular the determined radius of movement, for horizontal gaze movements of the eye, the primary direction is therefore in the horizontal. This allows the perspective distortion of the horizontal diameter to be used to automatically determine the viewing directions.
Besonders bevorzugt erfolgt das Erzeugen der ersten Bilddaten bei einer ersten Blickrichtung des Auges, die parallel zu einer optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung liegt,
wobei als Positionsänderung des zumindest einen ausgezeichneten Punktes eine Positionsänderung Δa'12 eines Mittelpunkts der Pupille und/oder eines Mittelpunkts der Iris erfasst wird, und
wobei der Bewegungsradius r des Mittelpunkts der Pupille bzw. des Mittelpunkts der Iris gemäß
wherein a change in position Δa' 12 of a center point of the pupil and/or a center point of the iris is detected as a change in position of the at least one marked point, and
where the radius of movement r of the center of the pupil or the center of the iris according to
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahrenvorzugsweise außerdem:
- - ein Bestimmen eines ersten sekundären, projizierten (also sichtbaren bzw. abgebildeten) Durchmessers h1 der Pupille bzw. der Iris des Auges in einer insbesondere zur Primärrichtung senkrechten Sekundärrichtung aus den ersten Bilddaten; und
- - ein Bestimmen eines zweiten sekundären, projizierten also sichtbaren bzw. abgebildeten Durchmessers h2 der Pupille bzw. der Iris des Auges in der Sekundärrichtung aus den zweiten Bilddaten.
- - a determination of a first secondary, projected (ie visible or imaged) diameter h 1 of the pupil or the iris of the eye in a secondary direction, in particular perpendicular to the primary direction, from the first image data; and
- - a determination of a second secondary, ie projected visible or imaged diameter h 2 of the pupil or the iris of the eye in the secondary direction from the second image data.
Dabei wird besonders bevorzugt der Bewegungsradius des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges aus der ermittelten Positionsänderung und den Verhältnissen
Besonders bevorzugt liegt die Sekundärrichtung senkrecht zu einer gemeinsamen Ebene der optischen Achse und der zumindest zwei Blickrichtungen. Damit entspricht vorzugsweise der sekundäre, projizierte Durchmesser dem tatsächlichen Durchmesser der Pupille in der Sekundärrichtung, d.h. das Abbild des Durchmessers in dieser Richtung ist nicht durch die Projektion auf die Bildebene der Aufnahmeeinrichtung verkleinert. Damit kann auf diese Weise auch ein veränderlicher Durchmesser während der beiden Aufnahmen berücksichtigt werden, wobei angenommen wird, dass sich das Verhältnis der beiden Durchmesser nicht ändert. Dies ist beispielsweise selbst für eine veränderliche Pupillengröße aufgrund sich ändernder Lichtverhältnisse mit sehr guter Näherung erfüllt.The secondary direction is particularly preferably perpendicular to a common plane of the optical axis and the at least two viewing directions. The secondary, projected diameter preferably corresponds to the actual diameter of the pupil in the secondary direction, i.e. the image of the diameter in this direction is not reduced by the projection onto the image plane of the recording device. In this way, a variable diameter can also be taken into account during the two recordings, it being assumed that the ratio of the two diameters does not change. For example, this is fulfilled with a very good approximation even for a variable pupil size due to changing light conditions.
Besonders bevorzugt erfolgt das Erzeugen der ersten Bilddaten bei einer ersten Blickrichtung des Auges, die parallel zu einer optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung liegt,
wobei als Positionsänderung des zumindest einen ausgezeichneten Punktes eine Positionsänderung Δa'12 des Mittelpunkts der Pupille bzw. des Mittelpunkts der Iris erfasst wird, und
wobei der Bewegungsradius r des Mittelpunkts der Pupille bzw. des Mittelpunkts der Iris gemäß
vorteilhaft, wenn die erste Blickrichtung parallel zur optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung (Kameraachse) liegt. Dabei kann sogar für einen elliptischen Außenumfang der Pupille oder Iris eine geeignete Auswertung erfolgen.The first image data is particularly preferably generated in a first viewing direction of the eye, which is parallel to an optical axis of the image recording device,
wherein a change in position Δa' 12 of the center of the pupil or of the center of the iris is detected as the change in position of the at least one marked point, and
where the radius of movement r of the center of the pupil or the center of the iris according to
advantageous if the first viewing direction is parallel to the optical axis of the image recording device (camera axis). A suitable evaluation can even be carried out for an elliptical outer circumference of the pupil or iris.
Vorzugsweise wird als Positionsänderung des zumindest einen ausgezeichneten Punktes eine Positionsänderung Δa'12 des Mittelpunkts der Pupille bzw. des Mittelpunkts der Iris erfasst, wobei der Bewegungsradius r des Mittelpunkts der Pupille bzw. des Mittelpunkts der Iris gemäß
wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn von einem kreisförmigen Außenumfang der Pupille bzw. Iris ausgegangen wird. Damit ist sogar eine Auswertung möglich, wenn keine der beiden Blickrichtungen parallel zur Kameraachse liegt und sogar für eine variable Größe der Pupille. Das Vorzeichen wird dabei je nach Sehaufgabe gewählt. Für zwei Auslenkungen der Blickrichtung, die in Bezug auf die Kameraachse entgegengesetzt sind, werden die Beträge der Wurzel addiert, während sie für zwei Auslenkungen in die gleiche Richtung relativ zur Kameraachse subtrahiert werden.A change in position Δa' 12 of the center of the pupil or the center of the iris is preferably recorded as the change in position of the at least one marked point, with the radius of movement r of the center of the pupil or of the center of the iris corresponding to
will. This is particularly advantageous if a circular outer circumference of the pupil or iris is assumed. This means that an evaluation is even possible if neither of the two viewing directions is parallel to the camera axis and even for a variable size of the pupil. The sign is selected depending on the visual task. For two deflections of the viewing direction that are opposite with respect to the camera axis, the magnitudes of the square root are added, while for two deflections in the same direction relative to the camera axis, they are subtracted.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Beleuchten des Auges mit einer Referenzlichtquelle, wobei das Erfassen der ersten Bilddaten ein Erfassen einer ersten Position des ersten Purkinje-Reflexes des Auges und einer ersten Position des vierten Purkinje-Reflexes des Auges umfasst, und das Erfassen der zweiten Bilddaten ein Erfassen einer zweiten Position des ersten Purkinje-Reflexes des Auges und einer zweiten Position des vierten Purkinje-Reflexes des Auges umfasst, und wobei die Positionsänderung des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges und/oder die Winkeländerung zwischen der ersten und zweiten Blickrichtung des Auges bzw. die erste und/oder zweite Winkelauslenkung bei der ersten bzw. zweiten Blickrichtung des Auges in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Positionen des ersten und vierten Purkinje-Reflexes ermittelt werden. Besonders bevorzugt emittiert die Referenzlichtquelle Infrarot-Licht. Damit kann eine vergleichsweise hohe Lichtintensität verwendet werden, ohne den Benutzer zu blenden. Dies ist besonders vorteilhaft, um den vierten Purkinje-Reflex noch gut erfassen zu können, dessen Intensität deutlich geringer ist, als die Intensität des ersten Purkinje-Reflexes. Dabei ergibt sich der erste Purkinje-Reflex aus einer Reflexion des Referenzlichts an der Hornhautvorderfläche des Auges, während sich der vierte Purkinje-Reflex aus einer Reflexion des Referenzlichtes an der Linsenrückfläche des Auges ergibt. Das Ermitteln der Positionsänderung des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges und der Winkeländerung zwischen der ersten und zweiten Blickrichtung des Auges bzw. der ersten und/oder zweiten Winkelauslenkung bei der ersten bzw. zweiten Blickrichtung des Auges erfolgt dabei über Purkinje-Transformationen.Preferably, the method includes illuminating the eye with a reference light source, wherein capturing the first image data includes capturing a first position of the first Purkinje reflex of the eye and a first position of the fourth Purkinje reflex of the eye, and capturing the second image data detecting a second position of the first Purkinje reflex of the eye and a second position of the fourth Purkinje reflex of the eye, and wherein the change in position of the at least one marked point of the eye and/or the change in angle between the first and second viewing direction of the eye or the first and/or second angular deflection in the first or second viewing direction of the eye can be determined as a function of the first and second positions of the first and fourth Purkinje reflex. The reference light source particularly preferably emits infrared light. A comparatively high light intensity can thus be used without dazzling the user. This is particularly advantageous in order to still be able to capture the fourth Purkinje reflex well, the intensity of which is significantly lower than the intensity of the first Purkinje reflex. The first Purkinje reflex results from a reflection of the reference light on the front surface of the cornea of the eye, while the fourth Purkinje reflex results from a reflection of the reference light on the rear surface of the lens of the eye. The change in position of the at least one marked point of the eye and the change in angle between the first and second viewing direction of the eye or the first and/or second angular deflection in the first or second viewing direction of the eye are determined using Purkinje transformations.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Ermitteln einer Winkeländerung zwischen der ersten und zweiten Blickrichtung durch ein Ermitteln einer Positionsänderung Δp(1) des ersten Purkinje-Reflexes und ein Bestimmen der Winkeländerung gemäß Δα12 = h(1) · Δp(1) mit einem vorgegebenen, konstanten Wert h(1), welcher auch als Hirschbergquotient des ersten Purkinjereflexes bezeichnet wird. Insbesondere könnte hierfür ein Wert h(1) im Bereich von etwa 10°/mm bis etwa 16°/mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 11°/mm bis etwa 14°/mm vorgegeben werden. Vorzugsweise wird der Wert h(1) gemäß Ausführungen in der Publikation von F. Schäffel „Binocular Lens Tilt and Decentration Measurements in Healthy Subjects with Phakic Eyes“, Investigative Ophthalmology & Visual Science, 49 (5), 2216-2222 (2008) vorgegeben. Diese Vorgehensweise ist besonders bevorzugt, wenn für zumindest eine Blickrichtung die Winkelauslenkung relativ zur optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung bekannt ist, insbesondere wenn die erste oder zweite Blickrichtung mit der optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung übereinstimmt bzw. dazu parallel ist. In diesem Fall wird besonders bevorzugt als Positionsänderung des zumindest einen ausgezeichneten Punktes eine Positionsänderung Δa'12 eines Mittelpunkts der Pupille und/oder eines Mittelpunkts der Iris erfasst und der Bewegungsradius r des Mittelpunkts der Pupille bzw. des Mittelpunkts der Iris gemäß
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform wird unter Verwendung des ersten und des vierten Purkinje-Reflexes insbesondere gemäß einer Darstellung in T.N. Cornsweet, et al. „Accurate two-dimensional eye tracker using first and fourth Purkinje images“, J. Opt. Soc. Am., 63 (8), 921-928 (1973) eine Winkelauslenkung und eine translatorische Auslenkung des Auges aus dem Abstand beider Reflexe bzw. der Position der geometrischen Mitte beider Reflexe bestimmt. Besonders bevorzugt lässt sich damit eine Winkeländerung zwischen der ersten und zweiten Blickrichtung durch ein Ermitteln einer Änderung
Als Positionsänderung Δa12 des zumindest einen ausgezeichneten Punktes wird vorzugsweise eine Änderung gemäß
In einem weiteren Aspekt bietet die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen von Bewegungsparametern für zumindest ein Auge eines Benutzers, umfassend:
- - eine Bilddatenaufnahmeeinrichtung, welche ausgelegt ist zum Erzeugen von ersten Bilddaten zumindest eines Teilbereiches des Auges bei einer ersten Blickrichtung des Auges und zum Erzeugen von zweiten Bilddaten zumindest eines Teilbereichs des Auges bei einer zweiten Blickrichtung des Auges, wobei die Bilddatenaufnahmeeinrichtung derart relativ zum Kopf des Benutzers fixierbar ist, dass sie zum Erzeugen der ersten und zweiten Bilddaten dieselbe Position relativ zum Kopf des Benutzers einnimmt; und
- - eine Auswerteeinrichtung, welche ausgelegt ist zum
- -- Ermitteln einer Positionsänderung zumindest eines ausgezeichneten Punktes des Auges; und
- -- Bestimmen eines Bewegungsradius des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges aus der ermittelten Positionsänderung und in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Blickrichtung, insbesondere in Abhängigkeit von der einer ersten und einer zweiten Winkelauslenkung der ersten bzw. zweiten Blickrichtung relativ zu einer optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung.
- - an image data recording device, which is designed to generate first image data of at least a partial area of the eye in a first viewing direction of the eye and to generate second image data of at least a partial area of the eye in a second viewing direction of the eye, the image data recording device being relative to the user's head in this way is fixable to occupy the same position relative to the user's head for generating the first and second image data; and
- - An evaluation device, which is designed for
- -- determining a change in position of at least one marked point of the eye; and
- -- Determining a radius of movement of the at least one marked point of the eye from the determined change in position and as a function of the first and second viewing direction, in particular as a function of a first and a second angular deflection of the first and second viewing direction relative to an optical axis of the image recording device .
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zumindest ein Fixationstarget, welches ausgelegt ist, die erste und/oder zweite Blickrichtung durch Aussenden eines Lichtfeldes dadurch zumindest teilweise festzulegen, dass alle Lichtstrahlen des Lichtfeldes im Wesentlichen parallel zu einer gemeinsamen Fixationsebene verlaufen. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung ausgelegt, eines der hier beschriebenen Verfahren zumindest teilweise automatisch auszuführen.The device preferably comprises at least one fixation target, which is designed to at least partially define the first and/or second line of sight by emitting a light field in that all light rays of the light field run essentially parallel to a common fixation plane. The device is particularly preferably designed to carry out one of the methods described here automatically, at least in part.
Neben entsprechenden Verfahren zum Bestimmen von Bewegungsparametern für zumindest ein Auge eines Benutzers insbesondere unter Einbeziehung einer oder mehrerer der als funktionale Abläufe in den erfindungsgemäßen Systemen implementierten entsprechenden Verfahrensschritten bietet die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere in Form eines Speichermediums oder einer Signalfolge, umfassend computerlesbare Anweisungen, welche, wenn geladen in einen Speicher eines Computers und ausgeführt von dem Computer, bewirken, dass der Computer ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform durchführt. Somit bietet die Erfindung insbesondere ein Computerprogrammprodukt, umfassend Programmcode, der wenn geladen und ausgeführt von einem Computersystem, dieses veranlasst, ein Verfahren zum Bestimmen von Bewegungsparametern für zumindest ein Auge eines Benutzers in einer der beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.In addition to corresponding methods for determining movement parameters for at least one eye of a user, in particular including one or more of the corresponding method steps implemented as functional processes in the systems according to the invention, the invention also offers a computer program product, in particular in the form of a storage medium or a signal sequence, comprising computer-readable instructions, which, when loaded into a memory of a computer and executed by the computer, cause the computer to perform a method according to the present invention, particularly in a preferred embodiment. The invention thus offers in particular a computer program product, comprising program code which, when loaded and executed by a computer system, causes it to carry out a method for determining movement parameters for at least one eye of a user in one of the described embodiments.
Die erfindungsgemäße Bestimmung eines Bewegungsradius des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges ist aber nicht auf die Analyse der Blickauslenkung in einer einzigen Richtung bzw. in einer einzigen Ebene beschränkt. Vorzugsweise umfasst ein Verfahren ein Bestimmen eines ersten Bewegungsradius und eines zweiten Bewegungsradius für Blickauslenkungen in zwei verschiedenen, vorzugsweise zueinander senkrechten Ebenen. Vorzugsweise werden analog zu ersten und zweiten Bilddaten mittels der Bildaufnahmeeinrichtung dritte und vierte Bilddaten zumindest eines Teilbereichs des Auges bei einer dritten bzw. vierten Blickrichtung erzeugt. Dabei können die dritte und vierte Blickrichtung durch analoge Maßnahmen zur ersten und zweiten Blickrichtung bestimmt, also festzulegen oder ermittelt werden. Besonders bevorzugt werden die dritte und vierte Blickrichtung derart festgelegt bzw. ermittelt, dass sie im Wesentlichen parallel zu einer Ebene liegen, zu der nicht gleichzeitig die erste und zweite Blickrichtung parallel liegen. Damit ist eine erste Augenbewegung zwischen der ersten und der zweiten Blickrichtung nicht parallel zu einer zweiter Augenbewegung zwischen der dritten und der vierten Blickrichtung. Besonders bevorzugt liegen die erste und die zweite Blickrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Ebene, welche senkrecht zu einer weiteren Ebene liegt, zu der die dritte und vierte Blickrichtung parallel liegen. Dabei liegen vorzugsweise die erste und zweite Blickrichtung im Wesentlichen parallel zu einer gemeinsamen horizontalen oder vertikalen Ebene, während entsprechend die dritte und vierte Blickrichtung vorzugsweise parallel zu einer gemeinsamen vertikalen bzw. horizontalen Ebene liegen. Während sich zwar die erste Blickrichtung von der zweiten Blickrichtung und die dritte Blickrichtung von der vierten Blickrichtung unterscheiden, kann die dritte oder die vierte Blickrichtung durchaus mit der ersten oder der zweiten Blickrichtung übereinstimmen. So können zwei unterschiedliche Blickbewegungen durchaus auch auf Basis von nur drei verschiedenen Blickrichtungen ausgewertet werden. Dies ist besonders dann sehr effizient, wenn die erste oder zweite Blickrichtung, welche mit der dritten oder vierten Blickrichtung übereinstimmt als Nullblickrichtung bestimmt, insbesondere vorgegeben wird.However, the determination according to the invention of a radius of movement of the at least one marked point of the eye is not limited to the analysis of the gaze deflection in a single direction or in a single plane. A method preferably includes determining a first radius of movement and a second radius of movement for gaze deflections in two different planes, preferably perpendicular to one another. Preferably, analogous to the first and second image data, third and fourth image data of at least a partial area of the eye are generated by means of the image recording device in a third and fourth viewing direction. The third and fourth line of sight can be determined by analogous measures to the first and second line of sight, ie they can be defined or determined. The third and fourth viewing directions are particularly preferably defined or determined in such a way that they lie essentially parallel to a plane to which the first and second viewing directions are not parallel at the same time. Thus, a first eye movement between the first and the second line of sight is not parallel to a second eye movement between the third and the fourth line of sight. The first and the second viewing direction are particularly preferably essentially parallel to a plane which is perpendicular to a further plane to which the third and fourth viewing direction are parallel. In this case, the first and second viewing direction are preferably essentially parallel to a common horizontal or vertical plane, while the third and fourth viewing direction are correspondingly preferred as parallel to a common vertical or horizontal plane. While the first viewing direction differs from the second viewing direction and the third viewing direction differs from the fourth viewing direction, the third or the fourth viewing direction can certainly correspond to the first or the second viewing direction. Thus, two different eye movements can also be evaluated on the basis of only three different viewing directions. This is very efficient in particular when the first or second viewing direction, which coincides with the third or fourth viewing direction, is determined as the zero viewing direction, in particular is predetermined.
Vorzugsweise ist eine Datenausgabeeinrichtung einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgelegt, den Bewegungsradius, insbesondere den ersten und/oder zweiten Bewegungsradius, auszugeben. Es ist dabei insbesondere nicht erforderlich auch die Lage des entsprechenden Augendrehpunktes und/oder die Lage der entsprechenden Drehachse direkt auszugeben.A data output device of a device according to a preferred embodiment of the invention is preferably designed to output the radius of movement, in particular the first and/or second radius of movement. In particular, it is not necessary to directly output the position of the corresponding center of rotation of the eye and/or the position of the corresponding axis of rotation.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand begleitender Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Dabei zeigt:
-
1A und1B : schematische Darstellungen zur Veranschaulichung einer Rotationsbewegung eines Auges; -
2 : eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung beispielhaft erfasster Messgrößen zur Ermittlung von Rotationsparametern in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
3A und3B : schematische Darstellungen zur Veranschaulichung von Sehaufgaben gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Hilfe von Fixationstargets; -
4A und4B : schematische Darstellungen zur Veranschaulichung von Sehaufgaben mit Hilfe von Fixationsobjekten an der Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
5 : eine schematische Darstellung eines Auges und des Zustandekommens verschiedener Reflexe an Grenzflächen des Auges; -
6A und6B : schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des Zustandekommens des ersten und vierten Purkinje-Reflexes; und -
7A und7B : schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des Zustandekommens des dritten Purkinje-Reflexes.
-
1A and1B 1: schematic representations to illustrate a rotational movement of an eye; -
2 FIG. 1: a schematic representation to illustrate measured variables recorded by way of example for determining rotation parameters in a preferred embodiment of the invention; FIG. -
3A and3B 1: schematic representations to illustrate visual tasks according to a preferred embodiment of the invention with the aid of fixation targets; -
4A and4B 1: schematic representations to illustrate visual tasks with the aid of fixation objects on the device according to a preferred embodiment of the invention; -
5 : a schematic representation of an eye and the occurrence of various reflexes at the interfaces of the eye; -
6A and6B : schematic representations to illustrate the formation of the first and fourth Purkinje reflex; and -
7A and7B : Schematic representations to illustrate the formation of the third Purkinje reflex.
Im folgenden werden einige bevorzugte Beispiele zum Bestimmen von Bewegungsparametern, insbesondere Rotationsparametern eines Auges eines Benutzers beschrieben, die sich insbesondere in ein Aberrometer integrieren lassen bzw. Elemente eines Aberrometers verwenden.A few preferred examples for determining movement parameters, in particular rotation parameters of a user's eye, are described below, which can in particular be integrated into an aberrometer or use elements of an aberrometer.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Messung mit einer Kamera über die Position der Pupille. Dieses Beispiel ist in analoger Weise auch auf die Auswertung über die Position der Iris insbesondere auf Basis der Erfassung des Iris-Außenrandes anwendbar. Zur Bestimmung der Rotationsparameter, insbesondere eines Bewegungsradius eines ausgezeichneten Punktes des Auges mit einer Kamera müssen der Winkel der Auslenkung des Auges und die damit verbundene Änderung der Position des ausgezeichneten Punktes (z.B. Pupillenmitte oder Hornhautscheitel) bekannt sein. Diese werden in dem in diesem Abschnitt beschriebenen Verfahren mit einer Bildaufnahmerichtung ermittelt bzw. vorzugsweise durch ein Fixationsobjekt bzw. -target vorgegeben.According to a first preferred embodiment, a camera is used to measure the position of the pupil. This example can also be applied in an analogous manner to the evaluation of the position of the iris, in particular based on the detection of the outer edge of the iris. In order to determine the rotation parameters, in particular a radius of movement of a marked point of the eye with a camera, the angle of the deflection of the eye and the associated change in the position of the marked point (e.g. center of the pupil or corneal vertex) must be known. These are determined in the method described in this section with an image recording direction or preferably specified by a fixation object or target.
Die Detektion von Pupillen in Videobildern kann dabei in bekannter Weise erfolgen. The detection of pupils in video images can take place in a known manner.
Entsprechendes gilt für die Detektion der Iris, auch wenn im Folgenden nicht mehr wiederholt darauf hingewiesen wird. Da die Berechnung der Rotationsgrößen auf dem Zusammenhang zwischen Translation und Rotation beruht, darf der Proband den Kopf nicht bewegen. Vorzugsweise sind die Kopf- und Kinnanlage so gestaltet, dass eine Durchführung der Sehaufgaben ohne Bewegung des Kopfes möglich ist und dieser sicher fixiert wird. Gegebenenfalls kann auch ein Bissbalken verwendet werden.The same applies to the detection of the iris, even if this is not repeatedly pointed out in the following. Since the calculation of the rotation magnitudes is based on the relationship between translation and rotation, the subject is not allowed to move his head. The head and chin rest are preferably designed in such a way that visual tasks can be carried out without moving the head and this is securely fixed. If necessary, a bite bar can also be used.
In
Besonders bevorzugt wird die jeweilige Blickrichtung (im Folgenden Winkel α) durch die Sehaufgabe vorgegeben. Dies geschieht vorzugsweise durch ein Fixationstarget (siehe
Ein Fixationstarget stellt insbesondere eine Lichtquelle dar, welche ausgelegt ist, ein Lichtfeld zumindest teilweise in Richtung des zu erfassenden Auges des Benutzers derart auszusenden, dass alle Lichtstrahlen innerhalb des Lichtfeldes im wesentlichen parallel zu einer gemeinsamen Fixationsebene verlaufen. In diesem Fall besteht die Aufgabe darin, in das zumindest teilweise gerichtete Lichtfeld zu blicken, wodurch das Auge entlang der Achse (oder Ebene) des Feldes ausgerichtet wird. Die Richtung des Feldes bezüglich der Aufnahmeeinrichtung bzw. Aufnahmerichtung ist dabei bekannt bzw. vorgegeben.A fixation target represents in particular a light source which is designed to emit a light field at least partially in the direction of the user's eye to be detected in such a way that all light rays within the light field run essentially parallel to a common fixation plane. In this case, the task is to look into the at least partially directed field of light, thereby aligning the eye along the axis (or plane) of the field. The direction of the field with respect to the recording device or recording direction is known or specified.
Zur Ausrichtung des Auges in einer Ebene wird ein Lichtfeld verwendet, dessen Licht in der Ebene parallel verläuft, in der das Auge ausgelenkt werden soll, und dabei die Richtung aufweist, in die das Auge ausgelenkt werden soll. Senkrecht dazu ist das Lichtfeld dagegen diffus, wodurch die Blickrichtung des Probanden in dieser Ebene nicht vorgegeben wird. Wird der Blick auf diese Weise nur in der Waagrechten ausgelenkt, kann der Proband so seine habituelle Kopf- und Körperhaltung einnehmen.To align the eye in a plane, a light field is used, the light of which runs parallel in the plane in which the eye is to be deflected and has the direction in which the eye is to be deflected. On the other hand, the light field perpendicular to this is diffuse, which means that the subject's line of sight is not specified in this plane. If the gaze is only deflected horizontally in this way, the subject can adopt his habitual head and body posture.
Die Blickrichtung kann aber auch vollständig vorgegeben werden, wenn das Lichtfeld nicht nur parallel zu einer Ebene, sondern vollständig parallel zu einer Achse bzw. Richtung verläuft. Dadurch kann der Proband auch in dieser Ebene seine Blickrichtung nicht mehr frei wählen, wenn er mit seinem Blick dem Lichtfeld folgen will. Die Rotationsstellung des Auges wird durch das Lichtfeld also in beiden Winkelkoordinaten vollständig definiert.However, the viewing direction can also be completely specified if the light field runs not only parallel to a plane, but completely parallel to an axis or direction. As a result, the subject can no longer freely choose his viewing direction in this plane either if he wants to follow the light field with his eyes. The rotational position of the eye is thus completely defined by the light field in both angular coordinates.
Vor allem der Radius der Pupillenbewegung lässt sich auf diese Weise besonders sicher und zuverlässig bestimmen, da die genaue Blickrichtung nur durch das Lichtfeld vorgegeben wird und damit von der genauen Position des Auges vor dem Fixationstarget unabhängig ist. Weiterhin kann die Linie bzw. der Punkt auch von Fehlsichtigen immer noch als Linie bzw. Punkt (wenn auch gegebenenfalls verbreitert oder unscharf) wahrgenommen und gegebenenfalls fixiert werden.Above all, the radius of the pupil movement can be determined particularly safely and reliably in this way, since the precise viewing direction is only specified by the light field and is therefore independent of the exact position of the eye in front of the fixation target. Furthermore, the line or the point can still be perceived as a line or point (albeit possibly broadened or blurred) even by people with defective vision and can be fixed if necessary.
Das Lichtfeld zur Ausrichtung des Blicks in einer Eben lässt sich beispielsweise dadurch erzeugen, dass eine schmale, rechteckige, diffus leuchtende Fläche so in die Brennebene einer Zylinderlinse eingesetzt wird, dass seine Orientierung parallel zur Zylinderachse der Linse verläuft. Zur vollständigen Ausrichtung des Blicks im Raum wird entsprechend ein Lichtfeld eingesetzt, das von einer sphärische Linse und einer kleinen - vorzugsweise kreisförmigen - leuchtende Fläche in der Brennebene erzeugt wird. Die Breite des Feldes bzw. der Durchmesser des Kreises bestimmen dabei, wie stark die tatsächliche Richtung einzelner „Strahlen“ von der Sollrichtung abweichen.The light field for aligning the view in a plane can be generated, for example, by inserting a narrow, rectangular, diffusely luminous surface into the focal plane of a cylindrical lens in such a way that its orientation runs parallel to the cylinder axis of the lens. A light field generated by a spherical lens and a small - preferably circular - luminous surface in the focal plane is used to completely align the view in space. The width of the field or the diameter of the circle determine how much the actual direction of individual "rays" deviate from the target direction.
Gemäß einer weiteren, bereits erwähnten bevorzugten Ausführungsform wird für die Sehaufgaben zumindest ein Fixationsobjekt verwendet. In diesem Fall besteht die Aufgabe darin, einen Punkt oder eine Linie zu fixieren, dessen bzw. deren Lage zumindest soweit bekannt ist, dass sie relativ zu einem Aufnahme-Koordinatensystem und damit auch relativ zum Kopf angegeben werden kann. Die relative Lage des Fixationsobjekts zum Aufnahme-Koordinatensystem kann dabei entweder in einer Systemdatenspeichereinrichtung festgelegt sein oder aus den von den Bildaufnahmeeinrichtungen erzeugten Bilddaten ermittelbar sein.According to a further preferred embodiment already mentioned, at least one fixation object is used for the visual tasks. In this case, the task is to fix a point or a line whose position is known at least to the extent that it can be specified relative to a recording coordinate system and thus also relative to the head. The position of the fixation object relative to the recording coordinate system can either be defined in a system data storage device or can be determined from the image data generated by the image recording devices.
Das Fixationsobjekt (insbesondere als Markierung oder Lichtquelle z.B. in Form eines Punktes oder einer Linie) kann als beliebige, hinreichend kleine Markierung, die Licht zumindest in Richtung des Probanden hinreichend diffus streut oder abstrahlt (z.B. Farbmarkierung oder LED) ausgeführt sein. Das Fixationsobjekt kann auch schaltbar ausgeführt werden. Dies ist besonders von Vorteil, wenn für verschiedene Sehaufgaben zumindest teilweise unterschiedliche Fixationsobjekte eingesetzt werden sollen. Diese können sich zusätzlich oder alternativ in der Ausgestaltung (z.B. Farbe) unterscheiden, um eine einfache Beschreibung der Sehaufgabe zu ermöglichen.The fixation object (in particular as a marking or light source, e.g. in the form of a point or a line) can be designed as any sufficiently small marking that scatters or emits light sufficiently diffusely, at least in the direction of the subject (e.g. colored marking or LED). The fixation object can also be designed to be switchable. This is particularly advantageous if at least partially different fixation objects are to be used for different visual tasks. These can additionally or alternatively differ in design (e.g. color) in order to enable a simple description of the visual task.
Vorzugsweise besteht die Sehaufgabe darin, einmal in Richtung der Kameraachse zu blicken, wodurch eine erste Blickrichtung (α1=α0=0) festgelegt ist, welche insbesondere der Nullblickrichtung entsprechen kann, und einmal mit der Auslenkung um den Winkel α2 = Δα12 gemäß einer von der ersten Blickrichtung verschiedenen zweiten Blickrichtung. In diesem Fall folgt aus der Zeichnung in
Dabei bezeichnet Δa'12=a'2-a'1 die Änderung der Projektion a' der Position der Pupillenmitte (bzw. die Projektion der Änderung der Position der Pupillenmitte) zwischen der ersten und zweiten Blickrichtung. Wenn eine Kamera des Aberrometers verwendet wird, steht diese vorzugsweise senkrecht zur Gesichtsebene. Die zur Messung des Rotationsparameters eingesetzte Kamera kann jedoch auch seitlich angeordnet werden (vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 25° zur Normalen der Gesichtsebenen). Dadurch lässt sich die Winkelauslenkung zwischen den beiden Sehaufgaben vergrößern. Während der Proband bei der ersten Anordnung einmal geradeaus und einmal in eine Richtung seitlich blicken muss, kann er hier einmal in eine Richtung ausgelenkt blicken und einmal in die andere. Dadurch verdoppelt sich der Winkel der Blickauslenkung zu etwa 50°, was die Genauigkeit steigert.In this case, Δa′ 12 =a′ 2 −a′ 1 designates the change in the projection a′ of the position of the pupil center (or the projection of the change in the position of the pupil center) between the first and second viewing directions. If an aberrometer camera is used, it is preferably perpendicular to the plane of the face. However, the camera used to measure the rotation parameter can also be positioned laterally (preferably at an angle of about 25° to the normal of the face planes). This allows the angular deflection between the two visual tasks to be increased. While the test person has to look straight ahead and sideways in the first arrangement, here he can look deflected in one direction and in the other. This doubles the angle of the gaze deflection to around 50°, which increases accuracy.
Aufgrund der sinusförmigen Abhängigkeit nimmt die Genauigkeit der Winkelmessung für große Winkel ab. Ferner ist eine Lösung ohne schräge Kamera einfacher, da die meist zentrale Kamera des Aberrometers verwendet werden kann. Für zwei Aufnahmen mit den Auslenkung der Blickrichtung um die Winkel α1 und α2 von der Kameraachse gilt bei Verwendung vorzeichenbehafteter Größen unter Verwendung von Δa'12=a'2-a'1
Dabei muss a'0, also die Projektion der Position der Pupille 102 (bzw. Pupillenmitte) bei Blick in Richtung der Kameraachse nicht bekannt sein. Dieser Fall ist in
Weiter bevorzugt wird die Position der Pupille 102 (insbesondere der Pupillenmitte) für mehr als zwei Auslenkungen gemessen. In diesem Fall werden die freien Parameter (Radius r und Position a'0 der Pupille (bzw. Pupillenmitte) bei Auslenkung parallel zur Kameraachse) des entsprechenden Gleichungssystems
Sollte kein zusätzliches Fixationstarget oder -objekt eingesetzt werden sollen, kann die Auslenkung auch aus der Verzerrung der Pupille 102 ermittelt werden.If no additional fixation target or object is to be used, the deflection can also be determined from the distortion of the
Unter der Annahme, dass es sich bei der Pupille 102 um eine Scheibe handelt, gilt für die Projektion d'i des Pupillendurchmessers d in der Ebene der Kameraachse bei der Auslenkung der Blickrichtung um den Winkel αi:
Bleibt der Durchmesser d der Pupille 102 zwischen zwei Aufnahmen konstant, von der eine (α1=α0=0,a'1=a'0 und d'1=d'0=d) mit Blickrichtung in Richtung der Kameraachse und eine (α2=α, a'2 und d'2) mit der unbekannten Auslenkung α2=Δα12 =α gemacht wird, kann der Radius r nach der Skizze aus
Lässt man Änderungen der Pupillengröße zwischen den Aufnahmen zu, bietet es sich an, neben dem Durchmesser d der Pupille 102 in Richtung der Auslenkung auch den Durchmesser h der Pupille 102 senkrecht dazu zu messen. Bei gleichmäßiger Aufweitung der Pupille gilt dann für die oben beschriebene Aufnahmekonfiguration (eine Aufnahme mit Auslenkung der Blickrichtung in Richtung der Kameraachse, d.h. α1=0, a'1=a'0, d'1=d'0=d0 und h'1= h'0= h0, und eine Aufnahme mit unbekannter Auslenkung α2=α, a'2, d'2 und h'2 = h2) nach der schematischen Darstellung in
Damit berechnet sich der Radius zu
Unter der Annahme, dass die Pupille 102 kreisförmig ist, kann die Aufnahme mit Blickrichtung parallel zur Kameraachse entfallen und durch eine, bei der die Blickrichtung ebenfalls ausgelenkt ist, ersetzt werden. In beiden Aufnahmen wird der Durchmesser parallel und senkrecht zur Ebene der Auslenkung gemessen. Für die Winkel der Auslenkungen gilt dann
Bei der Berechnung des Radius nach
Zur Verbesserung der statistischen Messunsicherheit können auch Aufnahmen bei mehreren Auslenkungen gemacht und ausgewertet werden. Dies bietet sich besonders bei dieser Methode an, da keine Fixationstargets oder -objekte notwendig sind. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Videosequenz aufgenommen, während der Proband sein Auge von einer Richtung in die andere bewegt. Die Einzelbilder dieser Sequenz können im Anschluss oder in-situ ausgewertet werden. Bei einer zusätzlichen Bewertung können als schlecht klassifizierte Bilder von der Auswertung ausgeschlossen werden.To improve the statistical measurement uncertainty, recordings can also be made and evaluated for several deflections. This is particularly useful with this method, since no fixation targets or objects are necessary. In a preferred embodiment, a video sequence is recorded while the subject moves his eye from one direction to the other. The individual images of this sequence can be evaluated afterwards or in situ. With an additional evaluation, images classified as bad can be excluded from the evaluation.
Vorzugsweise werden nur die Position der Pupille (insbesondere der Pupillenmitte) und ihr Durchmesser in Richtung der Ebene der Augenauslenkung in n Aufnahmen gemessen. In diesem Fall sind der Radius r sowie die Position a'0 der Pupille bei Auslenkung parallel zur Kameraachse und der Durchmesser d der Pupille die freien Parameter, die an die gemessenen Werte a'i bzw. d'i für das Gleichungssystem
Sollen mögliche Änderung der Pupillengröße während der Aufnahme der Sequenz berücksichtigt werden, wird vorzugsweise zusätzlich der Durchmesser senkrecht zur Ebene der Blickbewegung gemessen. Für eine kreisförmige Pupille entfällt damit der freie Parameter des Pupillendurchmessers und als Gleichungssystem für die Anpassung wird vorzugsweise folgendes Gleichungssystem genutzt:
Besonders bevorzugt wird das Verhältnis zwischen Pupillendurchmesser senkrecht zur Ebene der Blickauslenkung (h) und parallel zu dieser (d) als freier, anzupassender Parameter µ=h/d eingeführt:
Damit kann vorzugsweise die Bedingung einer kreisförmigen Pupille aufgelöst werden und stattdessen eine elliptische Form mit konstanter Elliptizität angenommen werden.In this way, the condition of a circular pupil can preferably be resolved and an elliptical shape with constant ellipticity can be assumed instead.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen werden zusätzlich oder anstelle der Pupillenmitte andere ausgezeichnete Merkmale des Auges gemessen. Sämtliche obigen Ausführungen mit Bezug auf die beigefügten schematischen Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen lassen sich analog mit einem anderen ausgezeichneten Punkt des Auges anstelle der ausdrücklich beschriebenen Pupillenmitte verstehen. Beispiele hierfür sind die Iris, ihr Außenrand sowie deren Schwer- bzw. Mittelpunkte. Weitere relevante Größen umfassen die individuellen Winkel des Probanden zwischen besagten Achsen (z.B. Optische Achse des Auges, Optische Achse des schematischen Auges, Sehachse, Fixierlinie, Pupillenachse, insbesondere gemäß den Definition in DIN 5340) sowie verallgemeinerte Augendrehpunkte (Schnittpunkte einzelner der besagten Achsen für verschiedene Blickauslenkungen).In further preferred embodiments, other distinctive features of the eye are measured in addition to or instead of the center of the pupil. All of the above statements with reference to the attached schematic representations of preferred embodiments can be understood analogously with another distinguished point of the eye instead of the center of the pupil expressly described. Examples of this are the iris, its outer edge and its center of gravity or center. Other relevant variables include the subject's individual angles between said axes (e.g. optical axis of the eye, optical axis of the schematic eye, visual axis, fixation line, pupillary axis, in particular according to the definition in DIN 5340) and generalized eyes pivot points (points of intersection of individual axes for different gaze deflections).
Ferner kann in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der Radius der Bewegung für unterschiedliche Richtungen der Auslenkungen (z.B. horizontal, vertikal oder in Richtung der Muskeln der Augenbewegung) jeweils individuell gemessen werden. Aus den so erhaltenen Daten können dann auch die probandenspezifischen Parameter komplexerer Modelle, wie z.B. unterschiedliche Drehpunkte im Raum für verschiedene Drehachsen und deren relative Lage zueinander sowie Drehpunktellipsoide bestimmt werden. Weiterhin kann die Verrollung des Auges beispielsweise an Hand des Musters der Iris in Abhängigkeit von der Auslenkung der Augen gemessen werden.Furthermore, in preferred embodiments of the invention, the radius of movement can be individually measured for different directions of displacement (e.g. horizontal, vertical or in the direction of the muscles of the eye movement). The data obtained in this way can then also be used to determine the subject-specific parameters of more complex models, such as different pivot points in space for different pivot axes and their relative position to one another, as well as pivot point ellipsoids. Furthermore, the rolling of the eye can be measured, for example, using the pattern of the iris as a function of the deflection of the eyes.
Die zu ermittelnden Größen können abhängig von äußeren Einflüssen auf das Auge ermittelt werden. Von besonderer Relevanz sind dabei die Konvergenz (Abstand des fixierten Objekts, vorzugsweise „unendlich“ und „40 cm“) und der Helligkeit (photopisch, mesopisch und skotopisch). Erstere lässt sich über Abbildungen mit entsprechenden virtuellen Entfernungen bzw. entsprechend entfernte Fixationsobjekte realisieren, die jeweils auch einstellbar sein können. Zur Messung der Größen bei unterschiedlichen Helligkeiten kann das Gerät Beleuchtungseinrichtungen umfassen, die eine entsprechende Helligkeit erzeugen. Für die Helligkeitsbereiche gelten dabei vorzugsweise folgende Grenzen (fließend und individuell verschieden): skotopisch: 3 · 10-6 cd/m2 (Wahrnehmungsschwelle) bis etwa zwischen 0,003 und 0,03 cd/m2; mesopisch: etwa zwischen 0,003 und 0,03 cd/m2 bis etwa zwischen 3 und 30 cd/m2; photopisch: ab etwas zwischen 3 und 30 cd/m2.The variables to be determined can be determined as a function of external influences on the eye. The convergence (distance of the fixed object, preferably "infinity" and "40 cm") and the brightness (photopic, mesopic and scotopic) are of particular relevance. The former can be implemented via images with corresponding virtual distances or correspondingly distant fixation objects, which can each also be adjustable. To measure the quantities at different brightnesses, the device can include lighting devices that generate a corresponding brightness. The following limits preferably apply to the brightness ranges (variable and individually different): scotopic: 3×10 -6 cd/m 2 (perception threshold) to approximately between 0.003 and 0.03 cd/m 2 ; mesopic: between about 0.003 and 0.03 cd/m 2 to about between 3 and 30 cd/m 2 ; photopic: from something between 3 and 30 cd/m 2 .
Bei Verwendung von Optiken, die keine telezentrischen Näherungen innerhalb des Messvolumens erlauben, sind die Formeln um entsprechende Kalibrierfunktionen zu ergänzen, in die auch eine gemessene Entfernung von dem Kamerasystem eingehen kann, bzw. die in den Formeln angegebenen Größen sind als entsprechend kalibrierte Größen zu verstehen. Sollte die Entfernung gemessen werden, kann diese auch direkt zur Berechnung der Winkel und des Radien verwendet werden.When using optics that do not allow telecentric approximations within the measurement volume, the formulas must be supplemented with appropriate calibration functions, which can also include a measured distance from the camera system, or the variables specified in the formulas must be understood as correspondingly calibrated variables . If the distance is measured, it can also be used directly to calculate the angles and radii.
Die Elemente (Kamera und Fixationseinrichtungen) werden vorzugsweise so angeordnet, dass das rechte und das linke Auge gleichermaßen vermessen werden können. Die Elemente können aber auch (zumindest teilweise) doppelt vorhanden sein und die einzelnen jeweils für das entsprechende Auge verwendet werden.The elements (camera and fixation devices) are preferably arranged in such a way that the right and left eye can be measured equally. However, the elements can also (at least in part) be present twice and the individual elements can be used for the corresponding eye.
An Hand von kopffesten intrinsischen oder extrinsischen Marken, die automatisch, semiautomatisch oder manuell gewählt bzw. selektiert werden können, können Kopfbewegungen zwischen den einzelnen Aufnahmen nachverfolgt und die in den jeweiligen Aufnahmen gemessenen Positionen, Winkel und Längen entsprechend korrigiert werden.With the help of intrinsic or extrinsic marks fixed to the head, which can be chosen or selected automatically, semi-automatically or manually, head movements between the individual recordings can be tracked and the positions, angles and lengths measured in the respective recordings can be corrected accordingly.
Im Folgenden wird ein derartiges Verfahren beispielhaft für eine telezentrische Projektion vorgestellt: Besonders relevant und einfach zu detektieren sind dabei der lateraler Versatz in der Kameraebene sowie eine Verdrehung des Kopfes um die Kameraachse. Dies geschieht durch eine einfache Verfolgung der Position dieser Marken im Bild. Eine Drehung des Kopfes um Achsen senkrecht zur Kameraachse kann detektiert werden, indem die Länge von Strecken zwischen einzelnen Marken bzw. die Maße ausgedehnter Marken verfolgt werden. Aus den Verkürzungen bzw. Verlängerungen in der Projektion in die Kameraebene lassen sich Winkeländerungen bzw. Winkelauslenkungen berechnen. Besonders genau ist diese Nachverfolgung naturgemäß, wenn die Konfiguration bzw. Ausdehnung der Marken einzelne Komponenten in mindestens drei Raumrichtungen aufweist, die nicht in einer Ebene liegen. Unter einer Komponente wird dabei die Verbindung zwischen zwei Marken bzw. eine Kante einer ausgedehnten Marke verstanden. Lediglich eine Translation entlang der Kameraachse kann auf Grund der Telezentrizität des Objektivs nicht festgestellt werden, was aber - in dieser Konfiguration - keinen Einfluss auf die Messung hat.In the following, such a method is presented as an example for a telecentric projection: The lateral offset in the camera plane and a rotation of the head around the camera axis are particularly relevant and easy to detect. This is done by simply tracking the position of these marks in the image. Rotation of the head about axes perpendicular to the camera axis can be detected by tracking the length of distances between individual marks or the dimensions of extended marks. Angle changes or angular deflections can be calculated from the shortening or lengthening in the projection into the camera plane. Naturally, this tracking is particularly accurate if the configuration or extension of the marks has individual components in at least three spatial directions that do not lie in one plane. A component is understood to mean the connection between two marks or an edge of an extended mark. Only a translation along the camera axis cannot be determined due to the telecentricity of the lens, which - in this configuration - has no influence on the measurement.
Als Bildaufnahmeeinrichtung wird vorzugsweise eine der Kameras des Aberrometers
- - vorzugsweise die zur Pupillometrie genutzte - verwendet. Es kann jedoch auch eine dezidierte Kamera zum Einsatz kommen.
- - preferably used for pupillometry - used. However, a dedicated camera can also be used.
Bei Verfahren, bei denen Fixationstargets bzw. -objekte verwendet werden, besteht der Vorteil dieser Erfindung darin, dass mindestens eines der Fixationstargets bzw. -objekte verwendet werden kann, das auch zur Einstellung der Auslenkung und Akkomodation des Auges bei den abberometrischen oder pupillometrischen Messungen genutzt wird. Dies gilt besonders für Sehaufgaben, bei denen die Blickrichtung parallel zur Kameraachse eingestellt werden soll. Es können jedoch auch zusätzlich oder ausschließlich ein oder mehrere dezidierte Fixationstargets bzw.-objekte eingesetzt werden.In methods in which fixation targets or objects are used, the advantage of this invention is that at least one of the fixation targets or objects can be used, which is also used to adjust the deflection and accommodation of the eye in the abberometric or pupillometric measurements will. This applies in particular to visual tasks in which the line of sight should be set parallel to the camera axis. However, one or more dedicated fixation targets or objects can also be used additionally or exclusively.
Aberrometer können als geschlossene Systeme (der Proband sieht direkt auf die Fixationseinrichtung) oder Open-Field-Systeme (der Proband hat einen nahezu freien Blick, der Messtrahlengang wird durch Strahlteiler o.ä. realisiert) ausgelegt sein. Dadurch können Sehaufgaben im Raum gestellt werden.Aberrometers can be designed as closed systems (the subject looks directly at the fixation device) or open-field systems (the subject has an almost unobstructed view, the measuring beam path is realized by beam splitters or similar). This allows visual tasks to be set in the room.
Da die Berechnung der Rotationsgrößen auf dem Zusammenhang zwischen Translation und Rotation beruht, ist es bevorzugt, wenn der Proband den Kopf nicht bewegt. Entsprechend sind die Kopf- und Kinnanlage vorzugsweise so gestaltet, dass eine Durchführung der Sehaufgaben ohne Bewegung des Kopfes möglich ist und dieser sicher fixiert wird. Gegebenenfalls kann auch ein Bissbalken verwendet werden.Since the calculation of the rotation quantities is based on the relationship between translation and rotation, it is preferable if the subject does not move his head. Accordingly, the head and chin rest are preferably designed in such a way that visual tasks can be carried out without moving the head and this is securely fixed. If necessary, a bite bar can also be used.
Weiterhin können Aufnahmen, die im Rahmen der Abberometrie oder Pupillometrie notwendig sind, auch für die Messung der Rotationsparameter verwendet werden. Dies gilt in besonderem Maße für Aufnahmen in Blickrichtung parallel zur Kameraachse. Dadurch werden zur Vermessung der optischen- und mechanischen Eigenschaften insgesamt weniger Aufnahmen benötigt, was das Messverfahren schneller und sowohl für den Probanden als auch für den Untersucher einfacher und angenehmer macht.Furthermore, recordings that are necessary in the context of abberometry or pupillometry can also be used to measure the rotation parameters. This applies in particular to recordings in the viewing direction parallel to the camera axis. As a result, fewer recordings are required overall to measure the optical and mechanical properties, which makes the measurement process faster and easier and more comfortable for both the test person and the examiner.
Die im Rahmen der Messung der Rotationsgrößen anfallenden Informationen über Größe und Ausformung der Pupille können als Ergebnisse der in Verbindung mit der Aberrometrie sinnvollen Pupillometrie genutzt werden. Dies gilt auch für unterschiedliche Konvergenzen und Helligkeiten. Umgekehrt kann auch das erfindungsgemäße Messverfahren auf eine vorhandene pupillometrische Einheit zugreifen.The information about the size and shape of the pupil obtained in the course of measuring the rotation variables can be used as the results of pupillometry, which is useful in connection with aberrometry. This also applies to different convergences and brightnesses. Conversely, the measurement method according to the invention can also access an existing pupillometric unit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform basiert die Bestimmung der Bewegungsparameter und insbesondere des Bewegungsradius eines ausgezeichneten Punktes des Auges auf einer Analyse der Purkinje-Reflexe des Auges. Dabei werden Purkinje-Reflexe vorzugsweise in bekannter Weise zur Bestimmung der Blickrichtungen herangezogen. Das hier beschriebene Verfahren nutzt die in den Reflexen enthaltenen Informationen zur Bestimmung der Rotationsparameter. Für die Fixierung des Kopfes gilt vorzugsweise das bereits oben ausgeführte in analoger Weise, ebenso wie die bevorzugte Integration in ein Aberrometersystem.In a further preferred embodiment, the determination of the movement parameters and in particular the movement radius of a marked point of the eye is based on an analysis of the Purkinje reflexes of the eye. In this case, Purkinje reflections are preferably used in a known manner to determine the viewing directions. The method described here uses the information contained in the reflections to determine the rotation parameters. For the fixation of the head, what has already been stated above preferably applies in an analogous manner, as does the preferred integration into an aberrometer system.
Bei den Purkinje-Reflexen handelt es sich um die wichtigsten am vorderen Auge auftretenden Reflexe einer Lichtquelle. Die Purkinje-Reflexe I und II (erster bzw. zweiter Purkinje-Reflex) entstehen dabei an der vorderen bzw. hinteren Grenzfläche der Hornhaut, die Reflexe III und IV (dritter bzw. vierter Purkinje-Reflex) an den entsprechenden Flächen der Linse.The Purkinje reflections are the most important reflections of a light source that occur in the front of the eye. The Purkinje reflexes I and II (first and second Purkinje reflex) arise at the front and rear boundary surface of the cornea, the reflexes III and IV (third and fourth Purkinje reflex) at the corresponding surfaces of the lens.
Vorzugsweise werden die in T.N. Comsweet und H. D. Crane, „Accurate two-dimensional eye tracker using first and fourth Purkinje images“, J. Opt. Soc. Am. 63 (8), 921-928 (1973) beschriebenen Details über die Bezeichnungen und Eigenschaften der Purkinje-Reflexe mit Verweis auf
Da die Intensität des vierten Reflexes nur etwa 1% der Intensität des ersten beträgt, ist eine sehr intensive Beleuchtung bevorzugt. Um den Probanden nicht unnötig zu blenden, wird zur Erzeugung der Reflexbilder bevorzugt eine Beleuchtung mit infrarotem Licht verwendet.Since the intensity of the fourth reflection is only about 1% of the intensity of the first, very intense illumination is preferred. In order not to blind the subject unnecessarily, illumination with infrared light is preferably used to generate the reflected images.
Es werden mindestens zwei Erfassungen (Bilddaten) von mindestens den Reflexen I und IV bei unterschiedlichen Auslenkungen gemacht. Dabei meint „Erfassung“ im Sinn der Erfindung eine Bestimmung der Lage der Reflexe durch Selektion in der Aufnahme einer Bildaufnahmeeinrichtung, insbesondere durch Verfahren auf Basis beweglicher Spiegel und Quadrantendioden oder durch andere geeignete Verfahren.At least two acquisitions (image data) are made of at least reflections I and IV at different deflections. In the context of the invention, “detection” means a determination of the position of the reflections by selection in the recording of an image recording device, in particular by methods based on movable mirrors and quadrant diodes or by other suitable methods.
Aus den erfassten Reflexen werden die lateralen Position bzw. Positionsänderung des Systems Hornhaut-Linse sowie die Winkelauslenkungen bzw. Auslenkungsänderungen bestimmt. Besonders bevorzugt werden Positionsänderungen und/oder Winkelauslenkungen gemäß einer der oben genauer ausgeführten Verfahren aus dem ersten und/oder vierten Purkinje-Reflex ermittelt.The lateral position or change in position of the cornea-lens system and the angular deflections or changes in deflection are determined from the detected reflections. Position changes and/or angular deflections are particularly preferably determined from the first and/or fourth Purkinje reflex according to one of the methods detailed above.
Aus den Positions- und Winkeländerungen bzw. Winkelauslenkungen werden vorzugsweise analog zu den bereits oben beschriebenen, der jeweiligen Geometrie angepassten Verfahren, die Rotationsparameter (insbesondere der Radius der Rotationsbewegung, also der Bewegungsradius des zumindest einen ausgezeichneten Punktes des Auges) abgeleitet. Die Ermittlung der Positions- und Winkeländerung bzw. Winkelauslenkungen und das Bestimmen des Bewegungsradius können dabei in einem gemeinsamen algorithmischen Schritt erfolgen, ohne dass die genaue Lage und Auslenkung des Auges als „Zwischenergebnis“ angegeben bzw. ausgegeben werden. Ein derartiges Vorgehen bietet insbesondere Vorteile bei speziellen Kalibrierverfahren.The rotation parameters (in particular the radius of the rotation movement, i.e. the movement radius of the at least one marked point of the eye) are derived from the changes in position and angle or angular deflections, preferably analogously to the methods already described above and adapted to the respective geometry. The determination of the change in position and angle or angular deflection and the determination of the movement radius can take place in a common algorithmic step without the exact position and deflection of the eye being specified or output as an “intermediate result”. Such a procedure offers particular advantages in the case of special calibration methods.
In den folgenden Abschnitten sind einige Möglichkeiten beispielhaft zusammengestellt. Es werden dabei die bereits oben eingeführten Formelzeichen verwendet.In the following sections some possibilities are listed as examples. The symbols introduced above are used.
Vorzugsweise werden die Reflexe I und IV für zwei Auslenkungen des Auges mit unbekannter Blickrichtung vermessen. In einem zweiten Schritt werden aus diesen Daten durch Purkinje-Transformationen die Änderung der lateralen Position des Hornhaut-Linsen-Komplexes zwischen den beiden Aufnahmen sowie die Blickwinkel bestimmt. Hierzu wird insbesondere auf die obigen Ausführungen verwiesen. Daraus kann gemäß der Formel
Position und Richtung des Auges können auch für mehr als zwei Auslenkungen gemessen werden. Dies kann vorteilhafterweise durch eine kontinuierliche Sehaufgabe (z.B. Blick von links nach rechts) und eine Videoaufzeichnung erfolgen, bei der alle Einzelbilder oder eine geeignete Untermenge ausgewertet werden.The position and direction of the eye can also be measured for more than two deflections. This can advantageously be done using a continuous visual task (e.g. looking from left to right) and video recording, in which all individual images or a suitable subset are evaluated.
In diesem Fall sind - wie bereits oben ausgeführt - die freien Parameter (Radius r und Position a'0 der Pupille bei Auslenkung parallel zur Kameraachse) des entsprechenden Gleichungssystems an die n gemessenen Werte a'i bzw. ai,
Sollten darüber hinaus die Winkel nur bis auf einen Faktor bekannt sein, kann wegen der Nichtlinearität des Sinus - bei hinreichend vielen Messungen mit hinreichend großen Auslenkungen - auch dieser Faktor m (eine Art Hirschbergquotient) angepasst werden. Das Gleichungssystem wird dann zu:
Dieser Schritt kann auch mit der Purkinje-Transformation zusammengefasst werden. Im allgemeinen Fall erhält man ein Gleichungssystem der Form
Dabei enthalten die Vektoren p̅i die gemessenen Positionen der Reflexe der Messungen 1... n, k̅ die konstanten Parameter (z.B. aus Kalibriermessungen, geometrischen Gegebenheiten des Aufbaus oder Standardparameter des Auges) und / die neben r anzupassenden Parameter (vergleiche oben).The vectors p̅ i contain the measured positions of the reflections of the
Zur Erhöhung der Genauigkeit ist es bevorzugt, zur Kalibrierung des Systems Parameter der Purkinje-Transformation durch eine Messung mit bekannter Auslenkung zu bestimmen. Die bekannte Auslenkung wird dabei vorzugsweise durch die Verwendung eines Fixationsobjekts oder - vorzugsweise - eines Fixationstargets erreicht.In order to increase the accuracy, it is preferable to determine parameters of the Purkinje transformation by measuring with a known deflection in order to calibrate the system. The known deflection is preferably achieved by using a fixation object or—preferably—a fixation target.
In diesem Fall ist der Winkel der entsprechenden Messung bekannt und wird nicht gemäß Schritt 2 bestimmt, so dass gilt:
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht die Sichtachse des Targets bzw. des Fixationsobjekts der Achse des Purkinje-Aufbaus. In diesem Fall vereinfacht sich bei der Festlegung α1=0 die Formel zu:
Position und Richtung des Auges können auch für mehr als zwei Auslenkungen gemessen werden. Dies kann vorteilhafterweise durch eine kontinuierliche Sehaufgabe (z.B. Blick von links nach rechts) und eine Videoaufzeichnung erfolgen, bei der alle Einzelbilder oder eine geeignete Untermenge ausgewertet werden. Die Ergebnisse der Kalibriermessung mit bekannter Auslenkung werden zur Bestimmung der Parameter der Purkinje-Transformation verwendet. Bei einer Aufnahme mit bekannter Ausrichtung des Auges sind dies vorteilhafterweise der Winkeloffset α0 und der Offset a'0 der lateralen Position. In diesem Fall werden vorzugsweise - wie bereits beschrieben - die freien Parameter des entsprechenden Gleichungssystems an die n gemessenen Werte a'i bzw. αi angepasst. Je nach Kalibrierung können diese außer dem Radius r die Position a'0 der Pupille bei Auslenkung parallel zur Kameraachse, der Faktor m und der Offset α0 umfassen. Vorzugsweise wird auch hier die Auswertung mit der Purkinje-Transformation zusammengefasst.The position and direction of the eye can also be measured for more than two deflections. This can advantageously be done using a continuous visual task (eg looking from left to right) and video recording, in which all individual images or a suitable subset are evaluated. The results of the calibration measurement with known deflection are used to determine the parameters of the Purkinje transformation. In the case of a recording with a known alignment of the eye, these are advantageously the angular offset α 0 and the offset a′ 0 of the lateral position. In this case, preferably—as already described—the free parameters of the corresponding system of equations are adapted to the n measured values a′ i or α i . Depending on the calibration, in addition to the radius r, these can include the position a' 0 of the pupil when deflected parallel to the camera axis, the factor m and the offset α 0 . Here, too, the evaluation is preferably combined with the Purkinje transformation.
Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit lässt sich erreichen, wenn zwei Blickrichtungen in geeigneter Weise vorgegeben und die gemessenen Positionen der Purkinje-Reflexe zur Kalibrierung des Systems herangezogen werden. Bevorzugt werden dabei die Fälle, bei denen bevorzugt ein Fixationstarget bzw. ein Fixationsobjekt mit der Achse des Purkinje-Aufbaus übereinstimmt (Fall 1) bzw. zwei symmetrisch zu diesem angeordnet sind (Fall 2). Werden nur die beiden zur Kalibrierung benutzen Aufnahmen herangezogen, können die Winkel der Sehaufgabe direkt verwendet werden. Es muss also keine dezidierte Kalibrierung durchgeführt werden sondern nur die lateralen Auslenkungen aus den Reflexbildern berechnet werden. Wieder gelten obige Formeln für den allgemeinen Fall sowie die erwähnten bevorzugten Fälle:
Auch hier können Position und Richtung des Auges in der bereits oben beschriebenen Weise für mehr als zwei Auslenkungen gemessen und wie dort beschrieben durch Anpassung der entsprechenden freien Parameter eines Gleichungssystems ausgewertet werden. Aus den beiden Aufnahmen der Kalibriermessungen werden dabei vorzugsweise der Offset der Winkellage α0 (siehe oben) und der laterale Offset a'0 sowie zusätzlich die verallgemeinerten Hirschbergquotienten bzw. der Faktor m bestimmt.Here, too, the position and direction of the eye can be measured in the manner already described above for more than two deflections and, as described there, evaluated by adapting the corresponding free parameters of an equation system. The offset of the angular position α 0 (see above) and the lateral offset a′ 0 and also the generalized Hirschberg quotients or the factor m are preferably determined from the two recordings of the calibration measurements.
Werden nur die zur Kalibrierung benutzen Aufnahmen herangezogen, können die Winkel der Sehaufgabe direkt verwendet werden und es muss keine dezidierte Kalibrierung durchgeführt werden. Vorzugsweise werden nur die lateralen Auslenkungen aus den Reflexbildern berechnet, aus denen der Radius durch die Anpassung des Gleichungssystems bestimmt werden kann.If only the recordings used for calibration are used, the angles of the visual task can be used directly and no dedicated calibration needs to be carried out. Preferably, only the lateral deflections are calculated from the reflected images, from which the radius can be determined by adapting the system of equations.
Prinzipiell können zur Kalibrierung der Blickrichtungsmessung Standardparameter herangezogen werden. Als Beispiele seien die jeweiligen Größen des Auges nach Gullstrand genannt. Für die relative Kalibrierung sind dabei Größen wie Hirschbergquotienten relevant und für die absolute Kalibrierung Winkel wie Alpha, Kappa oder Gamma (Definitionen nach DIN 5340).In principle, standard parameters can be used to calibrate the viewing direction measurement. The respective sizes of the eye according to Gullstrand are given as examples. Variables such as Hirschberg quotients are relevant for relative calibration and angles such as alpha, kappa or gamma (definitions according to DIN 5340) are relevant for absolute calibration.
Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung der Blickrichtung können gesteigert werden, wenn Größen, die die Bewegung der Reflexe in Abhängigkeit von der Auslenkung beschreiben, als Parameter für den jeweiligen Probanden individuell bestimmt werden. Dies kann im Rahmen einer Kalibriermessung, der Anpassung mehrere Messungen oder entsprechend kombinierten Ansätzen geschehen. Im Folgenden sind einige Kalibrierverfahren mit mindestens einer dezidierten Messung beschrieben.The accuracy and reliability of the measurement of the direction of gaze can be increased if quantities that describe the movement of the reflexes as a function of the deflection are determined individually as parameters for the respective test person. This can be done as part of a calibration measurement, the adjustment of several measurements or a correspondingly combined approach. Some calibration methods with at least one dedicated measurement are described below.
Unter einer relativen Kalibrierung wird die Abhängigkeit der Änderung der Position der Purkinje-Reflexe von der Änderung der Auslenkung der Augen verstanden, ohne dass die Position der Reflexe bei einer ausgezeichneten Stellung (z.B. Nullblickrichtung) bekannt ist. Das Verhältnis zwischen dieser translatorischen Auslenkung des ersten Purkinje-Reflexes zur Winkelauslenkung wird in der Literatur als Hirschbergquotient bezeichnet. In Anlehnung an diese Definition steht im Folgenden der n-te Hirschbergquotient für die entsprechende Relation für den n-ten Purkinje-Reflex. Bei Auswerteverfahren, die auf der Messung der Reflexe I und IV basieren, werden - vorzugsweise - die Hirschbergquotienten I und IV oder nur ein Teil davon bestimmt. Dazu kann durch entsprechende Sehaufgaben (unter Verwendung von Fixationsobjekten oder - bevorzugt - Fixationstargets) der Winkel einer Augendrehung vorgegeben und die Änderung der Position der Reflexe dabei gemessen werden. Analog zu den Hirschbergqotienten der Einzelreflexe lässt sich auch das entsprechende Verhältnis für die Schwerpunkts- bzw. Relativbewegung zweier Reflexe bestimmen. Dies kann speziell bei nichtlinearen Purkinje-Transformationen relevant sein. Diese Nichtlinearitäten in der Bewegung der Reflexe können berücksichtigt werden, indem die entsprechenden Quotienten winkelabhängig bzw. zusätzlich Quotienten höherer Ordnung (d.h. Vorfaktoren für Terme höherer Ordnung in einer Reihenentwicklung) bestimmt werden.A relative calibration is understood to mean the dependency of the change in the position of the Purkinje reflexes on the change in the deflection of the eyes, without the position of the reflexes being known in a particular position (eg zero viewing direction). The relationship between this translational deflection of the first Purkinje reflex and the angular deflection is referred to in the literature as the Hirschberg quotient. Based on this definition, the nth Hirschberg quotient stands for the corresponding relation for the nth Purkinje reflex. In the case of evaluation methods based on the measurement of the reflections I and IV, the Hirschberg quotients I and IV or only a part of them determined. For this purpose, the angle of an eye rotation can be specified by appropriate visual tasks (using fixation objects or—preferably—fixation targets) and the change in the position of the reflexes can be measured. Analogously to the Hirschberg quotients of the individual reflexes, the corresponding ratio for the center of gravity or relative movement of two reflexes can also be determined. This can be relevant especially for non-linear Purkinje transformations. These non-linearities in the movement of the reflections can be taken into account by determining the corresponding quotients as a function of the angle or additional quotients of a higher order (ie pre-factors for terms of a higher order in a series expansion).
Absolute Kalibrierung: Für die Berechnung des Radius aus der Winkelauslenkung reicht es nicht aus, nur die Winkeländerung zu kennen. Vielmehr muss auf Grund der Nichtlinearität des Sinus der Winkel der Augenauslenkung zur Normalen auf die Projektionsfläche bekannt sein. Diese Kenntnis wird als absolute Kalibrierung bezeichnet. Im einfachsten Fall reicht dazu eine Aufnahme bei mindestens einem vorgegebenen Winkel. Aus der Position mindestens eines Purkinje-Reflexes können dann die notwendigen Parameter abgeleitet werden. Die dazu notwendige definierte Auslenkung des Auges wird durch ein Fixationsobjekt oder durch ein Fixationstarget erreicht. Bevorzugte Vorgehensweisen sind die Auslenkung des Auges parallel zu besagter Achse bei mindestens einer Aufnahme sowie zwei symmetrisch zu dieser Achse liegenden Auslenkungen bei mindestens zwei Aufnahmen.Absolute calibration: To calculate the radius from the angular deflection, it is not enough just to know the change in angle. Rather, due to the non-linearity of the sine, the angle of the eye deflection to the normal to the projection surface must be known. This knowledge is called absolute calibration. In the simplest case, a recording at at least one predetermined angle is sufficient. The necessary parameters can then be derived from the position of at least one Purkinje reflex. The defined deflection of the eye required for this is achieved by a fixation object or a fixation target. Preferred procedures are the deflection of the eye parallel to said axis in at least one recording and two deflections lying symmetrically to this axis in at least two recordings.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, sowohl die Lage der Reflexe als auch die Position der Pupille aus der Bildverarbeitung zu ermitteln. So kann der Winkel der Auslenkung außer aus der relativen Bewegung der Reflexe I und IV zueinander auch aus der Entfernung des ersten Reflexes vom Zentrum der Pupille bestimmt werden. In diesem Fall kann - im Gegensatz zum Vorgehen bei den bisher geschilderten Verfahren - auf die Aufnahme und Auswertung der Position des Reflexes IV verzichtet werden.In many cases it is advantageous to determine both the position of the reflections and the position of the pupil from image processing. In this way, the angle of the deflection can be determined not only from the relative movement of reflexes I and IV to one another, but also from the distance of the first reflex from the center of the pupil. In this case—in contrast to the procedure described so far—there is no need to record and evaluate the position of reflex IV.
Weiterhin kann die (laterale) Position der Pupille rein aus der Position der Pupillenmitte im Kamerabild (vergleiche Abschnitt 1) und die Winkelauslenkung über mindestens zwei Informationen (von Position von Reflex I, Position von Reflexe IV, Pupillendurchmesser, Position der Pupillenmitte) bestimmt werden.Furthermore, the (lateral) position of the pupil can be determined purely from the position of the center of the pupil in the camera image (see Section 1) and the angular deflection using at least two pieces of information (from the position of reflex I, position of reflex IV, pupil diameter, position of the pupil center).
Zusätzliche Informationen über die Geometrie des vorderen Augenabschnitts lassen sich aus der Lage der Reflexe II und III gewinnen. Diese Informationen können naturgemäß ebenfalls zur Ermittlung der Ausrichtung des Auges herangezogen werden. Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang der Reflex III, da dieser an der Vorderseite der Linse entsteht. Dadurch können bei der Bestimmung der Auslenkung fortgeschrittenere Modelle verwendet und entsprechende zusätzliche Größen ermittelt werden.Additional information about the geometry of the anterior segment of the eye can be obtained from the position of reflexes II and III. Of course, this information can also be used to determine the orientation of the eye. Reflex III is particularly interesting in this context, as it occurs on the front of the lens. As a result, more advanced models can be used when determining the deflection and corresponding additional variables can be determined.
Allgemein formuliert werden zur Bestimmung der interessierenden Größen n Einzelmessungen i = 1...n durchgeführt, wobei jeweils die Parameter erfasst werden. Bei diesen kann es sich um beispielsweise die Lage von Reflexen, der Pupillen sowie
- - bei definierter Auslenkung durch ein Target oder ein Objekt - die Lage der entsprechenden Achse des Auges handeln. Aus vorbereitenden Messungen oder Annahmen über den Aufbau des Auges und der Aparatur sind die Parameter bekannt.
- - with a defined deflection by a target or an object - act on the position of the corresponding axis of the eye. The parameters are known from preparatory measurements or assumptions about the structure of the eye and the apparatus.
Ferner existiert ein Satz
Bei den oben geschilderten Kalibierverfahren steht - auch bei der absoluten Kalibrierung - die „absolute“ Auslenkung des Auges bezogen auf das Aufnahmesystem der Reflexe im Vordergrund. Über die absolute Lage der unterschiedlichen Achsen des Auges im Raum und ihrer relativen Lage im Auge zueinander wird dabei nicht notwendigerweise eine Aussage getroffen. Diese können jedoch - auch zur Ableitung weiterer relevanter Größen - bestimmt werden.In the case of the calibration methods described above - also in the case of absolute calibration - the focus is on the "absolute" deflection of the eye in relation to the recording system of the reflexes. A statement is not necessarily made about the absolute position of the different axes of the eye in space and their relative position in the eye to one another. However, these can also be determined to derive other relevant variables.
Weitere relevante Größen umfassen die individuellen Winkel des Probanden zwischen besagten Achsen (z.B. Optische Achse des Auges, Optische Achse des schematischen Auges, Sehachse, Fixierlinie, Pupillenachse, Definition nach DIN 5340) sowie verallgemeinerte Augendrehpunkte (Schnittpunkte einzelner der besagten Achsen für verschiedene Blickauslenkungen).Other relevant variables include the subject's individual angles between said axes (e.g. optical axis of the eye, optical axis of the schematic eye, visual axis, fixation line, pupillary axis, definition according to DIN 5340) and generalized eye rotation points (intersection points of individual said axes for different gaze deflections).
Vorzugsweise umfasst das Verfahren eine Bestimmung der Rotationsgrößen für Bewegungen in verschiedenen Ebenen. Insbesondere können die zu bestimmenden Größen (z.B. der Rotationsradius um einen definierten Drehpunkt) für unterschiedliche Richtungen der Auslenkungen (z.B. horizontal, vertikal oder in Richtung der Muskeln der Augenbewegung) gemessen werden. Aus den so erhaltenen Daten können dann auch die probandenspezifischen Parameter komplexerer Modelle wie unterschiedliche Drehpunkte im Raum für verschiedene Drehachsen und deren relative Lage zueinander sowie Drehpunktelipsoide bestimmt werden. Weiterhin wird vorzugsweise die Verrollung des Auges beispielsweise an Hand des Musters der Iris in Abhängigkeit von der Auslenkung der Augen gemessen.The method preferably includes a determination of the rotational quantities for movements in different planes. In particular, the variables to be determined (eg the radius of rotation around a defined pivot point) can be measured for different directions of the deflections (eg horizontal, vertical or in the direction of the muscles of the eye movement). The data obtained in this way can then also be used to determine the subject-specific parameters of more complex models, such as different pivot points in space for different pivot axes and their relative position to one another, as well as pivot point lipoids. Furthermore, the rolling of the eye is preferably measured, for example using the pattern of the iris as a function of the deflection of the eyes.
Üblicherweise wird zur Erzeugung und Erfassung der Reflexe mit diffusen Punktlichtquellen und Lochkameraoptiken gearbeitet. Darauf beruhen auch die aus der Literatur bekannten Algorithmen. Es können jedoch auch Konfigurationen verwendet werden, bei denen mit telezentrischer Optik bzw. gerichteter Beleuchtung (ausgedehnte Lichtfelder mit vorgegebener Richtung, bevorzugt paralleles Licht) gearbeitet wird. Bei der Bestimmung der Lage des Auges aus den Reflexions- und Brechungsgesetzen ist dabei zu berücksichtigen, dass in derartigen Konfigurationen an Stelle fixer Punkte (punktförmige, diffuse Lichtquelle bzw. Blendenpunkt der Lochkamera) fixe Richtungen (ausgedehntes, gerichtetes Lichtfeld bzw Richtung der detektierten Strahlung) treten können.Diffuse point light sources and pinhole camera optics are usually used to generate and record the reflections. The algorithms known from the literature are also based on this. However, configurations can also be used in which work is carried out with telecentric optics or directed illumination (extended fields of light with a predetermined direction, preferably parallel light). When determining the position of the eye from the laws of reflection and refraction, it must be taken into account that in such configurations instead of fixed points (punctiform, diffuse light source or aperture point of the pinhole camera), fixed directions (extended, directed light field or direction of the detected radiation) can kick.
Bei Verwendung von Optiken, die keine telezentrischen Näherungen innerhalb des Messvolumens erlauben, sind die Formeln um entsprechende Kalibrierfunktionen zu ergänzen, in die auch eine gemessene Entfernung von dem Kamerasystem eingehen kann. Sollte die Entfernung gemessen werden, kann diese auch direkt zur Berechnung der Winkel und des Radien verwendet werden.When using optics that do not allow telecentric approximations within the measurement volume, the formulas must be supplemented with appropriate calibration functions, which can also include a measured distance from the camera system. If the distance is measured, it can also be used directly to calculate the angles and radii.
Zusätzlich oder anstelle der Pupillenmitte können auch andere ausgezeichnete Merkmale des Auges gemessen werden. Beispiele hierfür sind die Iris, ihr Außenrand sowie deren Schwer- bzw. Mittelpunkte.Other distinctive features of the eye can also be measured in addition to or instead of the center of the pupil. Examples of this are the iris, its outer edge and its center of gravity or center.
Die zu ermittelnden Größen können abhängig von äußeren Einflüssen auf das Auge ermittelt werden. Von besonderer Relevanz sind dabei die Konvergenz (Abstand des fixierten Objekts, vorzugsweise „unendlich“ und „40cm“) und der Helligkeit (photopisch, mesopisch und skotopisch). Erstere lässt sich über Abbildungen mit entsprechenden virtuellen Entfernungen bzw. entsprechend entfernte Fixationsobjekte realisieren, die jeweils auch einstellbar sein können.The variables to be determined can be determined as a function of external influences on the eye. Of particular relevance are the convergence (distance of the fixed object, preferably "infinity" and "40cm") and the brightness (photopic, mesopic and scotopic). The former can be implemented via images with corresponding virtual distances or correspondingly distant fixation objects, which can each also be adjustable.
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